第6章 步進(jìn)電動機(jī)及其驅(qū)動課件

1、1第六章 步進(jìn)電動機(jī)及其控制2v步進(jìn)電動機(jī)（步進(jìn)電動機(jī)（Stepping Motor，或，或 Step Motor 、Stepper Motor）是一種可由電脈沖控制運(yùn)動的特殊電動機(jī)，可以通）是一種可由電脈沖控制運(yùn)動的特殊電動機(jī)，可以通過脈沖信號轉(zhuǎn)換控制的方法將脈沖電信號變換成相應(yīng)的角位過脈沖信號轉(zhuǎn)換控制的方法將脈沖電信號變換成相應(yīng)的角位移或線位移。因此步進(jìn)電動機(jī)也被稱為脈沖電動機(jī)（移或線位移。因此步進(jìn)電動機(jī)也被稱為脈沖電動機(jī)（Pulse Motor）。）。v步進(jìn)電動機(jī)不能直接使用通常的直流或交流電源來驅(qū)動，而步進(jìn)電動機(jī)不能直接使用通常的直流或交流電源來驅(qū)動，而是需要使用專門的步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器

2、。是需要使用專門的步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器。v在工業(yè)生產(chǎn)中被應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、打印機(jī)、繪圖儀、機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)中被應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、打印機(jī)、繪圖儀、機(jī)器人控制等，控制等，6.1 步進(jìn)電動機(jī)概述步進(jìn)電動機(jī)概述3一些使用步進(jìn)電動機(jī)的機(jī)器、設(shè)備。一些使用步進(jìn)電動機(jī)的機(jī)器、設(shè)備。機(jī)器人 打印機(jī) 步進(jìn)電動機(jī)及其控制器 數(shù)控機(jī)床 數(shù)控機(jī)床 45v通過一定的控制方式，可以使步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)動時的角位移或通過一定的控制方式，可以使步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)動時的角位移或線位移與脈沖數(shù)成正比，即其轉(zhuǎn)速或線速度與輸入控制脈沖線位移與脈沖數(shù)成正比，即其轉(zhuǎn)速或線速度與輸入控制脈沖的頻率成正比。的頻率成正比。v在步進(jìn)電動機(jī)所能承受的負(fù)載能力范圍內(nèi)，

3、這種關(guān)系不會因在步進(jìn)電動機(jī)所能承受的負(fù)載能力范圍內(nèi)，這種關(guān)系不會因電源電壓、負(fù)載大小以及環(huán)境條件的波動而變化，因而在系電源電壓、負(fù)載大小以及環(huán)境條件的波動而變化，因而在系統(tǒng)中可以采用開環(huán)的方式進(jìn)行運(yùn)動控制，從而使控制系統(tǒng)大統(tǒng)中可以采用開環(huán)的方式進(jìn)行運(yùn)動控制，從而使控制系統(tǒng)大為簡化。為簡化。v通常步進(jìn)電動機(jī)可以在較寬的范圍內(nèi)通過改變輸入控制脈沖通常步進(jìn)電動機(jī)可以在較寬的范圍內(nèi)通過改變輸入控制脈沖的頻率來實(shí)現(xiàn)調(diào)速，并能夠做到快速起動、反轉(zhuǎn)和制動。的頻率來實(shí)現(xiàn)調(diào)速，并能夠做到快速起動、反轉(zhuǎn)和制動。v由于它能直接利用脈沖數(shù)字信號進(jìn)行控制并將其轉(zhuǎn)換成角位由于它能直接利用脈沖數(shù)字信號進(jìn)行控制并將其轉(zhuǎn)換成角

4、位移，因而很適合于采用計(jì)算機(jī)來進(jìn)行數(shù)字式控制的場合。移，因而很適合于采用計(jì)算機(jī)來進(jìn)行數(shù)字式控制的場合。6v交流電機(jī)轉(zhuǎn)動時，定子繞組通電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，而轉(zhuǎn)子由于交流電機(jī)轉(zhuǎn)動時，定子繞組通電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，而轉(zhuǎn)子由于形成切割磁力線的等效作用在其內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流，與定子形成切割磁力線的等效作用在其內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流，與定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場相互作用形成運(yùn)動所需的電磁力，從而繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場相互作用形成運(yùn)動所需的電磁力，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動。為了產(chǎn)生運(yùn)動所需的一定強(qiáng)度的感應(yīng)電流，產(chǎn)生轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動。為了產(chǎn)生運(yùn)動所需的一定強(qiáng)度的感應(yīng)電流，交流電動機(jī)在原理上就會要求旋轉(zhuǎn)磁場在轉(zhuǎn)速上有一定限制。交流電動機(jī)在原理上就

5、會要求旋轉(zhuǎn)磁場在轉(zhuǎn)速上有一定限制。v同步電機(jī)由定子線圈通過電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場吸引轉(zhuǎn)子形成同步電機(jī)由定子線圈通過電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場吸引轉(zhuǎn)子形成轉(zhuǎn)動所需的作用力，磁場的旋轉(zhuǎn)帶動轉(zhuǎn)子的運(yùn)動。在這一過轉(zhuǎn)動所需的作用力，磁場的旋轉(zhuǎn)帶動轉(zhuǎn)子的運(yùn)動。在這一過程中需要在轉(zhuǎn)子內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流及其產(chǎn)生的相應(yīng)的磁場。程中需要在轉(zhuǎn)子內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流及其產(chǎn)生的相應(yīng)的磁場。v所有電動機(jī)運(yùn)動所需的力都源于電磁力。與交流電動機(jī)運(yùn)動所有電動機(jī)運(yùn)動所需的力都源于電磁力。與交流電動機(jī)運(yùn)動不同的是，步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)動時的所需的電磁力是由定子繞組不同的是，步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)動時的所需的電磁力是由定子繞組因通電產(chǎn)生的磁場（恒定非旋轉(zhuǎn)），對由磁性材

6、料按照一定因通電產(chǎn)生的磁場（恒定非旋轉(zhuǎn)），對由磁性材料按照一定形狀做成的轉(zhuǎn)子磁極的吸引力形成的。定子各相繞組一相一形狀做成的轉(zhuǎn)子磁極的吸引力形成的。定子各相繞組一相一相通電，轉(zhuǎn)子就受磁吸力一步一步運(yùn)動。相通電，轉(zhuǎn)子就受磁吸力一步一步運(yùn)動。7v步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)動是受走步脈沖信號控制的，因此適合于作為數(shù)字控制步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)動是受走步脈沖信號控制的，因此適合于作為數(shù)字控制系統(tǒng)的伺服元件。它的直線位移量或角位移量與電脈沖數(shù)成正比，所以系統(tǒng)的伺服元件。它的直線位移量或角位移量與電脈沖數(shù)成正比，所以電機(jī)的線速度或轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。通過改變脈沖頻率的高低，就電機(jī)的線速度或轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。通過改變脈沖

7、頻率的高低，就可以在很大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并能實(shí)現(xiàn)快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)?？梢栽诤艽蟮姆秶鷥?nèi)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并能實(shí)現(xiàn)快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)。v當(dāng)在設(shè)計(jì)條件下工作時，步進(jìn)電動機(jī)的步距角和轉(zhuǎn)速的大小不受電壓波當(dāng)在設(shè)計(jì)條件下工作時，步進(jìn)電動機(jī)的步距角和轉(zhuǎn)速的大小不受電壓波動和負(fù)載變化的影響，也不受環(huán)境條件如清晰度、氣壓、沖擊和振動等動和負(fù)載變化的影響，也不受環(huán)境條件如清晰度、氣壓、沖擊和振動等影響，它僅與電脈沖頻率有關(guān)，每轉(zhuǎn)一周都有固定的步數(shù)。影響，它僅與電脈沖頻率有關(guān)，每轉(zhuǎn)一周都有固定的步數(shù)。v步進(jìn)電動機(jī)在不丟步的情況下運(yùn)行，其步距誤差不會長期積累。這些優(yōu)步進(jìn)電動機(jī)在不丟步的情況下運(yùn)行，其步距誤

8、差不會長期積累。這些優(yōu)點(diǎn)使它完全適用于數(shù)字控制的開環(huán)系統(tǒng)中作為伺服元件，并使整個系統(tǒng)點(diǎn)使它完全適用于數(shù)字控制的開環(huán)系統(tǒng)中作為伺服元件，并使整個系統(tǒng)大為簡化而又運(yùn)行可靠。大為簡化而又運(yùn)行可靠。8v步進(jìn)電機(jī)的一些基本參數(shù)步進(jìn)電機(jī)的一些基本參數(shù)電機(jī)固有步距角電機(jī)固有步距角步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)保持轉(zhuǎn)矩保持轉(zhuǎn)矩9v1) 按轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的原理分為按轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的原理分為a.反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)。反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)。b.激磁式步進(jìn)電動機(jī)。這類步進(jìn)電動機(jī)又分為電磁式與永磁式；激磁式步進(jìn)電動機(jī)。這類步進(jìn)電動機(jī)又分為電磁式與永磁式；c.混合式步進(jìn)電動機(jī)。同時混合使用前兩種方式?；旌鲜讲竭M(jìn)電動機(jī)。同時混合使用前兩種方式。

9、v2)按輸出轉(zhuǎn)矩的大小分為按輸出轉(zhuǎn)矩的大小分為a功率步進(jìn)電動機(jī)功率步進(jìn)電動機(jī)(動力式動力式)，轉(zhuǎn)矩一般在，轉(zhuǎn)矩一般在1公斤公斤米以上，可直接用米以上，可直接用來拖動執(zhí)行元件；來拖動執(zhí)行元件；b伺服式步進(jìn)電動機(jī)伺服式步進(jìn)電動機(jī)(指示式指示式)，轉(zhuǎn)矩在幾百克，轉(zhuǎn)矩在幾百克厘米以下，多用于控厘米以下，多用于控制系統(tǒng)中。制系統(tǒng)中。v3) 按磁場方向分為按磁場方向分為a橫向磁場式步進(jìn)電動機(jī)；橫向磁場式步進(jìn)電動機(jī)；b縱向磁場式步進(jìn)電動機(jī)。縱向磁場式步進(jìn)電動機(jī)。10v4) 按定轉(zhuǎn)子數(shù)目分為按定轉(zhuǎn)子數(shù)目分為a.單定子式步進(jìn)電動機(jī)；單定子式步進(jìn)電動機(jī)；b.雙定子及多定子式步進(jìn)電動機(jī)。雙定子及多定子式步進(jìn)電動機(jī)。

10、v5) 按定轉(zhuǎn)子相對位置可分為按定轉(zhuǎn)子相對位置可分為a.內(nèi)定子外轉(zhuǎn)子式步進(jìn)電動機(jī)；內(nèi)定子外轉(zhuǎn)子式步進(jìn)電動機(jī)；b.外定子內(nèi)轉(zhuǎn)子式步進(jìn)電動機(jī)；外定子內(nèi)轉(zhuǎn)子式步進(jìn)電動機(jī)；c.十雙定子式十雙定子式(內(nèi)外定子內(nèi)外定子)步進(jìn)電動機(jī)。步進(jìn)電動機(jī)。v另外也還可按繞組形式另外也還可按繞組形式(集中、分布集中、分布)，轉(zhuǎn)向（可逆轉(zhuǎn)、不可逆轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)向（可逆轉(zhuǎn)、不可逆轉(zhuǎn))、相數(shù)、相數(shù)單相、兩相、三相及多相單相、兩相、三相及多相)等方法分類。等方法分類。v在本章中，將按產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的原理來進(jìn)行分類及分別敘述。在本章中，將按產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的原理來進(jìn)行分類及分別敘述。116.2 步進(jìn)電動機(jī)的工作原理步進(jìn)電動機(jī)的工作原理v步進(jìn)電動機(jī)按產(chǎn)

11、生轉(zhuǎn)距的方式不同可分為反應(yīng)式、激磁式及步進(jìn)電動機(jī)按產(chǎn)生轉(zhuǎn)距的方式不同可分為反應(yīng)式、激磁式及混合式三種。反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的定轉(zhuǎn)子都是凸極結(jié)構(gòu)，是混合式三種。反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的定轉(zhuǎn)子都是凸極結(jié)構(gòu)，是利用磁阻最小原理工作。利用磁阻最小原理工作。v反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)子齒數(shù)可以很多，因此步距角可以做得反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)子齒數(shù)可以很多，因此步距角可以做得很小，即使沒有減速裝置，也可以低速、高精度地實(shí)現(xiàn)位置很小，即使沒有減速裝置，也可以低速、高精度地實(shí)現(xiàn)位置控制?？刂?。v激磁式步進(jìn)電動機(jī)的激磁可以是永磁式或電磁激磁式，通常激磁式步進(jìn)電動機(jī)的激磁可以是永磁式或電磁激磁式，通常是永磁式激磁。激磁式步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)子

12、由于具有磁場，驅(qū)動是永磁式激磁。激磁式步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)子由于具有磁場，驅(qū)動轉(zhuǎn)矩較大，但由于制造工藝的緣故，轉(zhuǎn)子磁極數(shù)目不能做的轉(zhuǎn)矩較大，但由于制造工藝的緣故，轉(zhuǎn)子磁極數(shù)目不能做的太多，因此步距角比較大。太多，因此步距角比較大。v混合式步進(jìn)電動機(jī)兼有反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)和永磁式步進(jìn)電動混合式步進(jìn)電動機(jī)兼有反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)和永磁式步進(jìn)電動機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，可以做到步距角小而驅(qū)動轉(zhuǎn)矩又大。機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，可以做到步距角小而驅(qū)動轉(zhuǎn)矩又大。12（a）對齒 （b）錯齒 136.2.1 通電方式分析圖 6.6 三相步進(jìn)電動機(jī)的原理及其繞組的通電順序（a）三相步進(jìn)電動機(jī)的原理 （b）三相步進(jìn)電動機(jī)繞組等效電路圖141.三相單三拍通

13、電三相單三拍通電15 (a) (b) 圖6-8 三相雙三拍運(yùn)行方式 (a) AB相通電；(b) BC相通電2.三相雙三拍通電三相雙三拍通電163.三相六拍通電三相六拍通電176.2.2 小步距角步進(jìn)電動機(jī)18圖6.11 定子齒對轉(zhuǎn)子齒的作用力a、對齊 b、錯開 c、在兩齒間196.2.3 步進(jìn)電動機(jī)的基本特點(diǎn)1.分配方式分配方式 步進(jìn)電動機(jī)每相繞組不是恒定地通電，而是脈沖式通電，是由專用電源供給電脈沖。步進(jìn)電動機(jī)這種不同的輪流通電方式稱為“分配方式”，每循環(huán)一次所包含的通電狀態(tài)數(shù)稱為“狀態(tài)數(shù)”或“拍數(shù)”。狀態(tài)數(shù)（拍數(shù)）等于相數(shù)稱為單拍制（如三相單三拍，三相雙三拍、四相雙四拍等），狀態(tài)數(shù)（拍數(shù)）

14、等于相數(shù)的兩倍稱為雙拍制（如三相六拍，四相八拍等）。202.齒距角和步距角齒距角和步距角21223.步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速23244.步進(jìn)電動機(jī)自鎖能力步進(jìn)電動機(jī)自鎖能力256.4 6.4 步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動控制步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動控制脈脈沖沖分分配配器器功放電路功放電路三三相相步步進(jìn)進(jìn)電電機(jī)機(jī)負(fù)載負(fù)載功率電功率電源源分配器電源分配器電源功放電路功放電路功放電路功放電路功率放大器功率放大器步進(jìn)脈沖步進(jìn)脈沖方向信號方向信號fABC脈沖分配器+功率放大電路266.4.1. 脈沖分配器脈沖分配器 當(dāng)方向電平為低時，脈沖當(dāng)方向電平為低時，脈沖分配器的輸出按分配器的輸出按A-B-CA-B-C的順序的

15、順序循環(huán)產(chǎn)生脈沖。循環(huán)產(chǎn)生脈沖。fABC 當(dāng)方向電平為高時，脈當(dāng)方向電平為高時，脈沖分配器的輸出按沖分配器的輸出按A-C-BA-C-B的順的順序循環(huán)產(chǎn)生脈沖。序循環(huán)產(chǎn)生脈沖。 ABCf27 步進(jìn)電動機(jī)的脈沖分配器可由硬件或軟件方法來實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動機(jī)的脈沖分配器可由硬件或軟件方法來實(shí)現(xiàn)。 硬件環(huán)形分配器：由計(jì)數(shù)器等數(shù)字電路組成的。有較好的響應(yīng)硬件環(huán)形分配器：由計(jì)數(shù)器等數(shù)字電路組成的。有較好的響應(yīng)速度，且具有直觀、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。速度，且具有直觀、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。 軟件環(huán)分：由計(jì)算機(jī)接口電路和相應(yīng)的軟件組成的。受到微型軟件環(huán)分：由計(jì)算機(jī)接口電路和相應(yīng)的軟件組成的。受到微型計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的限制，有時難

16、以滿足高速實(shí)時控制的要求。計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的限制，有時難以滿足高速實(shí)時控制的要求。 1. 1.硬件環(huán)形分配器硬件環(huán)形分配器 28序號序號控制信號狀態(tài)控制信號狀態(tài)輸出狀態(tài)輸出狀態(tài)導(dǎo)電繞組導(dǎo)電繞組CAJ CBJ CCJQA QB QC0 01 1 01 1 01 0 01 0 0A A1 10 1 00 1 01 1 01 1 0ABAB2 20 1 10 1 10 1 00 1 0B B3 30 0 10 0 10 1 10 1 1BCBC4 41 0 11 0 10 0 10 0 1C C5 51 0 01 0 01 0 11 0 1CACA6 61 1 01 1 01 0 01 0 0A A2

17、9 2 2軟件環(huán)形分配軟件環(huán)形分配 軟件環(huán)分的方法是利用計(jì)算機(jī)程序來設(shè)定硬件接口的位狀態(tài)，軟件環(huán)分的方法是利用計(jì)算機(jī)程序來設(shè)定硬件接口的位狀態(tài)，從而產(chǎn)生一定的脈沖分配輸出。從而產(chǎn)生一定的脈沖分配輸出。 1) 1) 輸出接口輸出接口 8031 8031單片機(jī)本身包含單片機(jī)本身包含4 4個個8 8位位I/OI/O端口，分別為端口，分別為P0P0、P1P1、P2P2、P3P3。 輸出接口是將計(jì)算機(jī)的輸出端與步進(jìn)電動機(jī)的每相繞組一一對輸出接口是將計(jì)算機(jī)的輸出端與步進(jìn)電動機(jī)的每相繞組一一對應(yīng)起來。應(yīng)起來。8031P1.0P1.1P1.2ABC驅(qū)驅(qū)動動器器30 2) 2) 輸出模型輸出模型 如果三相步進(jìn)電

18、動機(jī)按單、雙拍通電方式工作，即如果三相步進(jìn)電動機(jī)按單、雙拍通電方式工作，即: : 正轉(zhuǎn)：正轉(zhuǎn)：A-AB-B-BC-C-CAA-AB-B-BC-C-CA 反轉(zhuǎn)：反轉(zhuǎn)：A-AC-C-CB-B-BCA-AC-C-CB-B-BC 根據(jù)根據(jù)80318031單片機(jī)的基本原理，對單片機(jī)的基本原理，對P P1.01.0、 P P1.11.1、 P P1.21.2位編程使其位編程使其按表規(guī)定改變輸出狀態(tài)就實(shí)現(xiàn)了三相六拍分配任務(wù)。按表規(guī)定改變輸出狀態(tài)就實(shí)現(xiàn)了三相六拍分配任務(wù)。P P1.71.7通電相通電相X XX XX XX XX X0 00 01 1A AX XX XX XX XX X0 01 11 1ABABX XX XX XX XX X0 01 10 0B BX XX XX XX XX X1 11 10 0BCBCX XX XX XX XX X1 10 00 0C CX XX XX XX XX X1 10 01 1CACAP P1.51.5P P1.41.4P P1.31.3P P1.21.2P P1.11.1P P1.01.0P P1.61.6316.4.26.4.2、步進(jìn)電動機(jī)的功率放大電路、步進(jìn)電動機(jī)的功率放大電路 步進(jìn)電動機(jī)的功率驅(qū)動電路實(shí)際上是一種脈沖放大電路，使脈步進(jìn)電動機(jī)的功率驅(qū)動電路實(shí)際上是一種脈沖放大電路，使脈沖具有一定的功率驅(qū)